Studier av halid- och oxidmaterial och deras gränsskikt för optoelektronik – Atomär förståelse från avancerade röntgenbaserade spektroskopiska metoder

Projekttitel: Studier av halid- och oxidmaterial och deras gränsskikt för optoelektronik – Atomär förståelse från avancerade röntgenbaserade spektroskopiska metoder
Huvudsökande: Håkan Rensmo, avdelningen för molekyl- och kondenserade materiens fysik
Beviljade medel: 3 320 000 SEK för perioden 2019-2022
Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

Forskningsfälten som rör omvandlingen mellan ljusenergi, elektrisk energi och kemisk energi har vuxit kraftigt under senare år och de har mycket gemensamt. Exempel på detta är design av olika materialkombinationer för att skapa gränsskikt som används för att kontrollera själva hjärtat i energiomvandlingsprocessen.

I projektet studeras några nya sådana materialkombinationer med hjälp av avancerade experimentella metoder som gör att vi kan undersöka egenskaperna hos dessa i större detalj. Den övergripande målsättningen är att på atomär nivå förstå hur energi flyttas mellan ljusets fotoner, elektroner och kemiska bindningar och hur material kan skräddarsys för att kontrollera dessa funktioner.

En solcell utnyttjar fotonerna från solen och omvandlar solens energi till elektrisk energi. Gemensamt för alla solcellsstrukturer är ett gränsskikt där solljuset absorberas genom att excitera elektroner (e-) och skapa hål (h+) med en annan potentiell energi. Elektronerna och hålen som skapas under belysning rör sig i materialet och samlas sedan upp i selektiva kontakter på varje sida materialet. Kontakterna på ena sidan tar hand om elektroner och kontakter på andra sidan tar hand om hål och ger då en ström av laddningsbärare (I) med olika potential (U), och kan sedan tas ut som elektrisk energi med effekten P=U x I.

Nyligen upptäcktes att det går att använda ett halidbaserat material (innehåller bromid, jodid) som hjärtat i omvandlingsprocessen. Kristallstrukturen för materialet kallas perovskit och utvecklingen av så kallade perovskitsolceller har gått mycket snabbt. Vi var tidigt med i och bidrog i denna forskning och har nyligen sampublicerat (Nature 2018) hur en blandning av positiva katjoner i materialet kan förbättra egenskaperna avsevärt (t.ex. 22% effektiva solceller).

I denna undersökning påvisas också andra optoelektroniska egenskaper såsom en exceptionell ljusemitterande förmåga. Även andra undersökningar har visat sådana ljusdiodegenskaper (lampor). Mekanismen för att omvandla elektrisk energi till ljusenergi i ljusdioder är ungefär den omvända till solceller. Beroende på material leds strömmen som hål eller elektroner och genom rätt val av hålledare och elektronledare kan dessa mötas i t.ex. perovskitmaterialet i en elektron-hålrekombination som skapar fotoner (ljus).

Inte bara material baserade på halider har egenskaper som är lämpliga för optoelektroniska tillämpningar. Det pågår även intensiv forskning på oxider med målsättningen att skräddarsy deras elektromagnetiska egenskaper inom en rad områden. En vision är att utnyttja speciella oxiders polarisationsegenskaper med deras ljusabsorberande förmåga till solcellstillämpningar som kan ha unika egenskaper som t.ex. extremt höga fotospänningar.

Projektet rör materialutveckling med parallella studier av halider och oxider för att få en gemensam atomärförståelse kring vilka elektroniska egenskaper som avgör dess optoelektroniska funktion. Speciellt relationen mellan materialens bulk-struktur och deras unika gränsskiktsegenskaper.

Inom projektet används helt nya röntgenbaserade spektroskopiska metoder som inte finns någon annanstans i värden för att förstå och designa gränsskikt mellan material och sådana mätningar är den grundvetenskapliga kärnan av det beskrivna projektet. Ett exempel på metoder som vi utvecklar är fotoelektronspektroskopi som, något populärt beskrivet, ger oss ögon att se atomer och elektroner och vilken energi de har.

När det gäller röntgenspektroskopi har utvecklingen av storskaliga anläggningar baserade på synkrotronljus haft en stor betydelse för fältet. Möjligheterna att kontinuerligt ändra fotonenergin och därmed förstärka intensiteten hos vissa strukturer samt variera ytkänsligheten har här varit avgörande. Vidare ger den senaste utvecklingen med pulsade röntgenkällor och högre energier vid synkrotronljus och laseranläggningar helt nya möjligheter att följa hur atomer och elektroner rör sig vid kemiska reaktioner. Forskningsprojektet bedrivs i en världsledande miljö för fortsatt utveckling av dessa metoder till mätningar på de funktionella materialsystemen – dvs. följa laddningsdynamiken när de arbetar.

Forskningen inom andra områden där gränsskikt är av stor betydelse får också nytta av forskningen. Exempel på sådana är litiumjonbatterier, och katalys/fotokatalys. Forskning som bedrivs kring materialen har ett mycket brett intresse vilket märks vid kontakt med allmänheten och studenter samt vid populärvetenskapliga föreläsningar.